Ved å studere sammensetningen av materie kom forskerne til den konklusjon at all materie består av molekyler og atomer. I lang tid atomet (oversatt fra gresk som "udelelig") ble ansett som den minste strukturelle enheten av materie. Videre forskning viste imidlertid at atomet har en kompleks struktur og i sin tur inkluderer mindre partikler.
Hva består et atom av?
I 1911 foreslo forskeren Rutherford at atomet inneholder sentral del har en positiv ladning. Slik oppsto begrepet atomkjernen først.
I følge Rutherfords skjema, kalt planetmodellen, består atomet av en kjerne og elementærpartikler med negativ ladning – elektroner som beveger seg rundt kjernen, akkurat som planetene går i bane rundt solen.
I 1932 oppdaget en annen forsker, Chadwick, nøytronet, en partikkel som ikke har noen elektrisk ladning.
I følge moderne ideer, tilsvarer strukturen til atomkjernen planetmodellen foreslått av Rutherford. Kjernen bærer mest atommasse. Den har også en positiv ladning. Atomkjernen inneholder protoner – positivt ladede partikler og nøytroner – partikler som ikke bærer en ladning. Protoner og nøytroner kalles nukleoner. Negativt ladede partikler – elektroner – beveger seg i bane rundt kjernen.
Antall protoner i kjernen er lik antallet elektroner som beveger seg i bane. Derfor er selve atomet en partikkel som ikke bærer en ladning. Hvis et atom får elektroner fra andre eller mister sine egne, blir det positivt eller negativt og kalles et ion.
Elektroner, protoner og nøytroner kalles samlet subatomære partikler.
Ladning av atomkjernen
Kjernen har et ladningsnummer Z. Det bestemmes av antall protoner som utgjør atomkjernen. Det er enkelt å finne ut denne mengden: bare slå til Mendeleevs periodiske system. Atomnummeret til grunnstoffet som atomet tilhører er lik antall protoner i kjernen. Således, hvis det kjemiske elementet oksygen har et atomnummer på 8, vil antallet protoner også være åtte. Siden antallet protoner og elektroner i et atom er det samme, vil det også være åtte elektroner.
Antall nøytroner kalles isotopnummeret og er betegnet med bokstaven N. Antallet deres kan variere i et atom av samme kjemisk element.
Summen av protoner og elektroner i kjernen kalles massetallet til atomet og betegnes med bokstaven A. Dermed ser formelen for beregning av massetallet slik ut: A = Z + N.
Isotoper
Når grunnstoffer har like mange protoner og elektroner, men ulikt antall nøytroner, kalles de isotoper av et kjemisk grunnstoff. Det kan være en eller flere isotoper. De er plassert i samme celle periodiske tabell.
Isotoper har veldig viktig i kjemi og fysikk. For eksempel gir en isotop av hydrogen – deuterium – i kombinasjon med oksygen et helt nytt stoff som kalles tungtvann. Den har et annet koke- og frysepunkt enn normalt. Og kombinasjonen av deuterium med en annen isotop av hydrogen - tritium fører til termonukleær reaksjon syntese og kan brukes til å produsere stor mengde energi.
Masse av kjernen og subatomære partikler
Størrelsen og massen til atomer er ubetydelig i menneskelig oppfatning. Størrelsen på kjernene er omtrent 10 -12 cm Massen til en atomkjerne måles i fysikk i de såkalte atommasseenhetene - amu.
For en amu ta en tolvtedel av massen til et karbonatom. Ved å bruke de vanlige måleenhetene (kilogram og gram), kan massen uttrykkes med følgende ligning: 1 amu. = 1,660540·10 -24 g. Uttrykt på denne måten kalles den absolutt atommasse.
Til tross for at atomkjernen er den mest massive komponenten i et atom, er størrelsen i forhold til elektronskyen som omgir den ekstremt liten.
Kjernefysiske styrker
Atomkjerner er ekstremt stabile. Dette betyr at protoner og nøytroner holdes i kjernen av en eller annen kraft. Dette kan ikke være elektromagnetiske krefter, siden protoner er likt ladede partikler, og det er kjent at partikler med samme ladning frastøter hverandre. Gravitasjonskrefter er for svake til å holde nukleoner sammen. Følgelig holdes partikler i kjernen av en annen interaksjon - kjernekrefter.
Kjernekraft regnes som den sterkeste av alle som finnes i naturen. Derfor kalles denne typen interaksjon mellom elementene i atomkjernen sterk. Det er tilstede i mange elementærpartikler, akkurat som elektromagnetiske krefter.
Kjennetegn ved kjernefysiske styrker
- Kort handling. Kjernekrefter, i motsetning til elektromagnetiske, vises bare på svært små avstander, sammenlignbare med størrelsen på kjernen.
- Ladingsuavhengighet. Denne funksjonen viser seg ved at kjernekrefter virker likt på protoner og nøytroner.
- Metning. Nukleonene i kjernen samhandler bare med et visst antall andre nukleoner.
Kjernefysisk bindende energi
En annen ting som er nært knyttet til begrepet sterk interaksjon er bindingsenergien til kjerner. Kjernebindingsenergi refererer til mengden energi som kreves for å splitte en atomkjerne i dens bestanddeler av nukleoner. Det tilsvarer energien som kreves for å danne en kjerne fra individuelle partikler.
For å beregne bindingsenergien til en kjerne, er det nødvendig å kjenne massen til subatomære partikler. Beregninger viser at massen til en kjerne alltid er mindre enn summen av dens konstituerende nukleoner. En massedefekt er forskjellen mellom massen til en kjerne og summen av protoner og elektroner. Ved å bruke forholdet mellom masse og energi (E=mc 2) kan man beregne energien som genereres under dannelsen av en kjerne.
Styrken til bindingsenergien til en kjerne kan bedømmes ved følgende eksempel: dannelsen av flere gram helium produserer samme mengde energi som forbrenning av flere tonn kull.
Kjernefysiske reaksjoner
Atomkjernene kan samhandle med kjernene til andre atomer. Slike interaksjoner kalles kjernereaksjoner. Det er to typer reaksjoner.
- Fisjonsreaksjoner. De oppstår når tyngre kjerner, som et resultat av interaksjon, forfaller til lettere.
- Syntesereaksjoner. Den omvendte prosessen med fisjon: kjerner kolliderer, og danner derved tyngre elementer.
Alle kjernefysiske reaksjoner er ledsaget av frigjøring av energi, som senere brukes i industrien, i militær sfære, i energi og så videre.
Etter å ha gjort oss kjent med sammensetningen av atomkjernen, kan vi trekke følgende konklusjoner.
- Et atom består av en kjerne som inneholder protoner og nøytroner, og elektroner rundt den.
- Massetallet til et atom er lik summen av nukleonene i kjernen.
- Nukleoner holdes sammen av sterke interaksjoner.
- De enorme kreftene som gir stabilitet til atomkjernen kalles atombindingsenergier.
Kjernen til et atom består av nukleoner, som er delt inn i protoner og nøytroner.
Symbolsk betegnelse på kjernen til et atom:
A er antall nukleoner, dvs. protoner + nøytroner (eller atommasse)
Z- antall protoner (lik antall elektroner)
N er antall nøytroner (eller atomnummer)
atomkrefter
Virker mellom alle nukleoner i kjernen;
- tiltrekningskrefter;
- korttidsvirkende
Nukleoner tiltrekkes av hverandre av kjernekrefter, som er helt ulik enten gravitasjons- eller elektrostatiske krefter. . Kjernefysiske krefter forfaller veldig raskt med avstand. Aksjonsradiusen deres er omtrent 0.000 000 000 000 001 meter.
For denne ultra-lille lengden, som karakteriserer størrelsen på atomkjerner, ble en spesiell betegnelse introdusert - 1 fm (til ære for den italienske fysikeren E. Fermi, 1901-1954). Alle kjerner er flere Fermi i størrelse. Radius kjernefysiske styrker lik størrelsen på et nukleon, så kjerner er klumper av veldig tett stoff. Kanskje den tetteste i terrestriske forhold.
Kjernefysiske krefter er sterke vekselvirkninger. De er mange ganger større enn Coulomb-kraften (på samme avstand). Kortdistanseaksjon begrenser effekten av kjernefysiske krefter. Når antallet nukleoner øker, blir kjerner ustabile, og derfor er de fleste tunge kjerner radioaktive, og veldig tunge kan ikke eksistere i det hele tatt.
Det endelige antallet grunnstoffer i naturen er en konsekvens av kortdistansevirkningen til atomkrefter.
Strukturen til atomet - Kul fysikk
Visste du?
På midten av 1900-tallet forutså kjernefysisk teori eksistensen av stabile grunnstoffer med atomnummer Z = 110 -114.
I Dubna ble det 114. elementet med atommasse A = 289 oppnådd, som "levde" i bare 30 sekunder, noe som er utrolig lenge for et atom med en kjerne av denne størrelsen.
I dag diskuterer teoretikere allerede egenskapene til supertunge kjerner som veier 300 og til og med 500.
Atomer med samme atomnummer kalles isotoper: i det periodiske systemet
de er plassert i samme celle (på gresk isos - lik, topos - plass).
De kjemiske egenskapene til isotoper er nesten identiske.
Hvis det er rundt 100 grunnstoffer i naturen, så er det mer enn 2000 isotoper. Mange av dem er ustabile, det vil si radioaktive, og forfaller, sender ut forskjellige typer stråling.
Isotoper av samme grunnstoff er forskjellige i sammensetning bare i antall nøytroner i kjernen.
Isotoper av hydrogen.
Hvis du fjerner plass fra alle atomer Menneskekroppen, så vil det som blir igjen kunne passe gjennom nåløyet.
For den nysgjerrige
Planende biler
Hvis du, mens du kjører en bil på våt vei i høy hastighet, bremser kraftig, vil bilen oppføre seg som et glider; dekkene begynner å gli på en tynn vannfilm, praktisk talt uten å berøre veien. Hvorfor skjer dette? Hvorfor glir ikke en bil alltid på våt vei, selv om bremsen ikke er på? Er det et slitemønster som reduserer denne effekten?
Viser seg...
Flere slitebanemønstre ble tilbudt for å redusere sannsynligheten for vannplaning. For eksempel kan sporet lede vann til det bakre kontaktpunktet av slitebanen med veien, hvor vannet vil bli kastet ut. Andre, mindre riller kan drenere vann til sidene. Til slutt kan små fordypninger på slitebanen så å si "våte" vannlaget på veien ved å berøre det like før området hvor slitebanens hovedkontakt er mot veibanen. I alle tilfeller er målet å fjerne vann fra kontaktsonen så raskt som mulig og hindre vannplaning.
Akademiker A. F. IOFF. "Vitenskap og liv" nr. 1, 1934
Artikkelen "The Nucleus of the Atom" av akademiker Abram Fedorovich Ioffe åpnet den første utgaven av tidsskriftet "Science and Life", nyopprettet i 1934.
E. Rutherford.
F. W. Aston.
MATERIENS BØLGE
På begynnelsen av 1900-tallet sluttet materiens atomstruktur å være en hypotese, og atomet ble like mye en realitet som de fakta og fenomener som er felles for oss er reelle.
Det viste seg at atomet er en svært kompleks formasjon, som utvilsomt inkluderer elektriske ladninger, og kanskje bare elektriske ladninger alene. Dette reiste naturlig nok spørsmålet om strukturen til atomet.
Den første modellen av atomet ble modellert etter solsystemet. Imidlertid viste denne ideen om atomstruktur seg snart å være uholdbar. Og dette er naturlig. Ideen om atomet som et solsystem var en rent mekanisk overføring av bildet assosiert med astronomiske skalaer til området av atomet, der skalaene bare er hundre milliondeler av en centimeter. En slik skarp kvantitativ endring kunne ikke annet enn å innebære en svært betydelig endring i de kvalitative egenskapene til de samme fenomenene. Denne forskjellen påvirket først og fremst det faktum at atomet, i motsetning til solsystemet, må bygges etter mye strengere regler enn de lovene som bestemmer banene til planetene i solsystemet.
To vanskeligheter dukket opp. Først alle atomer av denne typen, av et gitt grunnstoff er helt identiske i sine fysiske egenskaper, og derfor bør banene til elektroner i disse atomene være helt identiske. I mellomtiden styrer mekanikkens lover bevegelse himmellegemer, gir de absolutt ingen grunnlag for dette. Avhengig av starthastigheten kan planetens bane, i henhold til disse lovene, være helt vilkårlig; planeten kan rotere hver gang med passende hastighet i en hvilken som helst bane, uansett avstand fra solen. Hvis de samme vilkårlige banene fantes i atomer, kunne ikke atomer av samme stoff være så identiske i egenskapene deres, for eksempel gi et strengt identisk luminescensspektrum. Dette er én selvmotsigelse.
En annen var at bevegelsen av et elektron rundt en atomkjerne, hvis vi anvender lovene som vi har godt studert i stor skala i laboratorieeksperimenter eller til og med astronomiske fenomener, skulle være ledsaget av kontinuerlig energistråling. Følgelig ville energien til atomet måtte tømmes kontinuerlig, og igjen ville ikke atomet være i stand til å opprettholde sine egenskaper identiske og uendret over århundrer og årtusener, og hele verden og alle atomene ville måtte oppleve en kontinuerlig dempning, et kontinuerlig tap av energien i dem. Dette er heller ikke på noen måte forenlig med de grunnleggende egenskapene til atomer.
Den siste vanskeligheten ble følt spesielt akutt. Det så ut til å føre all vitenskap inn i en uløselig blindvei.
Den eminente fysikeren Lorentz avsluttet vår samtale om denne saken på denne måten: "Jeg angrer på at jeg ikke døde for fem år siden, da denne motsetningen ennå ikke eksisterte. Da ville jeg ha dødd i den overbevisning at jeg hadde avslørt en del av sannheten i naturfenomener."
Samtidig, våren 1924, uttrykte de Broglie, en ung student av Langevin, i sin avhandling en idé som i dens videre utvikling førte til en ny syntese.
De Broglies idé, som da ble ganske betydelig endret, men fortsatt stort sett bevart, var at bevegelsen til et elektron som roterer rundt en kjerne i et atom, ikke bare er bevegelsen til en bestemt kule, som tidligere ble forestilt, at denne bevegelsen er ledsaget av noen en bølge som beveger seg sammen med et elektron i bevegelse. Et elektron er ikke en ball, men et eller annet elektrisk stoff som er uskarpt i rommet, hvis bevegelse samtidig representerer forplantningen av en bølge.
Denne ideen, deretter utvidet ikke bare til elektroner, men også til bevegelsen til ethvert legeme - et elektron, et atom og et helt sett med atomer - sier at enhver bevegelse av et legeme inneholder to sider, hvorav vi i noen tilfeller vi kan se den ene siden spesielt tydelig, mens den andre ikke vises merkbart. I det ene tilfellet ser vi så å si forplantende bølger og merker ikke partiklenes bevegelse, i det andre tilfellet tvert imot kommer de bevegelige partiklene i forgrunnen, og bølgen unngår vår observasjon.
Men faktisk er begge disse sidene alltid til stede, og spesielt i bevegelsen av elektroner er det ikke bare bevegelsen av ladningene selv, men også forplantningen av bølgen.
Det kan ikke sies at det ikke er noen bevegelse av elektroner i baner, men kun pulsering, kun bølger, altså noe annet. Nei, det ville være riktigere å si dette: vi benekter ikke bevegelsen til elektrodene, som vi sammenlignet med bevegelsen til planetene rundt solen, men denne bevegelsen i seg selv har karakter av en pulsering, og ikke karakter av en pulsering. bevegelse kloden rundt solen.
Jeg vil ikke her beskrive strukturen til atomet, strukturen til dets elektroniske skall, som bestemmer alt det grunnleggende fysiske egenskaper- vedheft, elastisitet, kapillaritet, Kjemiske egenskaper osv. Alt dette er resultatet av elektronskallets bevegelse, eller, som vi nå sier, pulseringen av atomet.
PROBLEMET MED ATOMKJERNEN
Kjernen spiller den viktigste rollen i atomet. Dette er senteret som alle elektroner kretser rundt og hvis egenskaper til slutt bestemmer alt annet.
Det første vi kan lære om kjernen er ladningen. Vi vet at et atom inneholder et visst antall negativt ladede elektroner, men atomet som helhet har ingen elektrisk ladning. Dette betyr at det må være tilsvarende positive ladninger et sted. Disse positive ladningene er konsentrert i kjernen. Kjernen er en positivt ladet partikkel som elektronatmosfæren rundt kjernen pulserer rundt. Ladningen til kjernen bestemmer også antall elektroner.
Elektronene til jern og kobber, glass og tre er nøyaktig like. Det er ikke noe problem for et atom å miste noen få av elektronene sine eller til og med å miste alle elektronene. Så lenge det er igjen en positivt ladet kjerne, vil denne kjernen tiltrekke seg så mange elektroner den trenger fra andre omkringliggende legemer, og atomet vil bli bevart. Et jernatom vil forbli jern så lenge kjernen er intakt. Hvis den mister noen få elektroner, vil den positive ladningen på kjernen være større enn summen av de resterende negative ladningene, og hele atomet som helhet vil få en overskuddsladning. Da kaller vi det ikke et atom, men et positivt jernion. I et annet tilfelle kan atomet tvert imot trekke flere negative elektroner til seg enn det har positive ladninger – da vil det være negativt ladet, og vi kaller det et negativt ion; det vil være et negativt ion av samme grunnstoff. Følgelig eksisterer individualiteten til et element, alle dets egenskaper og bestemmes av kjernen, ladningen til denne kjernen, først og fremst.
Videre er det overveldende flertallet av massen til et atom bestemt nøyaktig av kjernen, og ikke av elektroner, - massen av elektroner er mindre enn en tusendel av massen til hele atomet; mer enn 0,999 av den totale massen er massen til kjernen. Dette er desto viktigere fordi vi anser masse som et mål på energireserven som et gitt stoff besitter; masse er det samme energimålet som erg, kilowatt-time eller kalori.
Kompleksiteten til kjernen ble avslørt i fenomenet radioaktivitet, oppdaget kort tid etter røntgenstråler, ved århundreskiftet. Det er kjent at radioaktive grunnstoffer kontinuerlig sender ut energi i form av alfa-, beta- og gammastråler. Men slik kontinuerlig stråling av energi må ha en eller annen kilde. I 1902 viste Rutherford at den eneste kilden til denne energien skulle være atomet, med andre ord atomenergi. Den andre siden av radioaktivitet er at utslippet av disse strålene forvandler ett grunnstoff som befinner seg på ett sted i det periodiske systemet til et annet grunnstoff med forskjellige kjemiske egenskaper. Med andre ord, radioaktive prosesser transformerer elementer. Hvis det er sant at kjernen til et atom bestemmer dets individualitet og at så lenge kjernen er intakt, forblir atomet et atom av et gitt grunnstoff og ikke et annet, betyr overgangen av ett element til et annet en endring i selve kjernen til atomet.
Strålene som sendes ut av radioaktive stoffer gir en første tilnærming til å få en generell ide om hva som finnes i kjernen.
Alfastråler er heliumkjerner, og helium er det andre elementet i det periodiske systemet. Man kan derfor tenke at kjernen inneholder heliumkjerner. Men å måle hastighetene som alfastråler sendes ut umiddelbart fører til en svært alvorlig vanskelighet.
GAMOWS TEORI OM RADIOAKTIVITET
Kjernen er positivt ladet. Når du nærmer deg den, opplever enhver ladet partikkel en kraft av tiltrekning eller frastøting. På en stor laboratorieskala bestemmes interaksjonene mellom elektriske ladninger av Coulombs lov: to ladninger samhandler med hverandre med en kraft omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem og direkte proporsjonal med størrelsen på den ene og den andre ladningen. Ved å studere lovene for tiltrekning eller frastøting som partikler opplever når de nærmer seg kjernen, fant Rutherford at opp til avstander svært nær kjernen, i størrelsesorden 10 -12 cm, er den samme Coulomb-loven fortsatt gyldig. Hvis dette er tilfelle, kan vi enkelt beregne hvor mye arbeid kjernen må gjøre for å skyve bort den positive ladningen når den forlater kjernen og kastes ut. Alfa-partikler og ladede heliumkjerner, som rømmer fra kjernen, beveger seg under den frastøtende effekten av ladningen; og den tilsvarende beregningen viser at, under påvirkning av frastøting alene, må alfa-partiklene ha akkumulert en kinetisk energi som tilsvarer minst 10 eller 20 millioner elektronvolt, det vil si energien som oppnås når man passerer en ladning lik ladningen av et elektron, potensialforskjell på 20 millioner volt. Men faktisk, når de flyr ut av et atom, kommer de ut med mye mindre energi, bare 1-5 millioner elektronvolt. Men dessuten
Det var naturlig å forvente at kjernen, når den sender ut en alfapartikkel, gir den noe annet i tillegg. I utstøtingsøyeblikket skjer noe som en eksplosjon i kjernen, og denne eksplosjonen i seg selv gir en slags energi; frastøtende krefters arbeid legges til dette, og det viser seg at summen av disse energiene er mindre enn det frastøtningen alene skulle gi. Denne motsetningen fjernes så snart vi nekter å mekanisk overføre til dette området synspunktene utviklet fra erfaringen med å studere store kropper, der vi ikke tar hensyn til bevegelsens bølgenatur. G. A. Gamov var den første som ga riktig tolkning Det var denne motsetningen som skapte bølgeteorien om kjernen og radioaktive prosesser.
Det er kjent at ved tilstrekkelig store avstander (mer enn 10 -12 cm) frastøter kjernen en positiv ladning fra seg selv. På den annen side er det ingen tvil om at inne i selve kjernen, som inneholder mange positive ladninger, avviser de av en eller annen grunn ikke. Selve eksistensen av kjernen viser at positive ladninger inne i kjernen gjensidig tiltrekker hverandre, og utenfor kjernen frastøter de hverandre.
Hvordan kan du beskrive energiforhold i og rundt selve kjernen? Gamow opprettet følgende representasjon. Vi vil på diagrammet (fig. 5) skildre energiverdien til den positive ladningen i dette stedet avstand fra den horisontale linjen EN.
Når den nærmer seg kjernen, vil energien til ladningen øke, fordi det vil jobbes mot frastøtende kraften. Inne i kjernen bør tvert imot energien avta igjen, for her er det ikke gjensidig frastøting, men gjensidig tiltrekning. Ved grensene til kjernen er det en kraftig nedgang i energiverdien. Vår tegning er avbildet på et fly; faktisk må du selvfølgelig forestille deg det i verdensrommet med samme fordeling av energi i alle andre retninger. Så får vi at rundt kjernen er det et sfærisk lag med høy energi, som en slags energibarriere som beskytter kjernen mot inntrengning av positive ladninger, den såkalte "Gamow-barrieren".
Hvis vi står på synspunktet til de vanlige synene på bevegelsen til en kropp og glemmer dens bølgenatur, må vi forvente at bare en slik positiv ladning kan trenge inn i kjernen, hvis energi ikke er mindre enn høyden på barrieren. Tvert imot, for å forlate kjernen, må ladningen først nå toppen av barrieren, hvoretter den kinetisk energi vil begynne å øke når den beveger seg bort fra kjernen. Hvis energien på toppen av barrieren var null, vil den når den fjernes fra atomet motta de samme 20 millioner elektronvoltene, som faktisk aldri blir observert. Den nye forståelsen av kjernen som Gamow introduserte er som følger. Bevegelsen til en partikkel må betraktes som en bølge. Følgelig påvirkes denne bevegelsen av energi ikke bare på punktet som er okkupert av partikkelen, men også i hele den diffuse bølgen til partikkelen, som dekker et ganske stort rom. Basert på begrepene bølgemekanikk kan vi argumentere for at selv om energien på et gitt punkt ikke har nådd grensen som tilsvarer toppen av barrieren, kan partikkelen havne på den andre siden av den, hvor den ikke er lenger trukket inn i kjernen av tiltrekningskreftene som virker der.
Følgende eksperiment representerer noe lignende. Tenk deg at det er en tønne med vann bak veggen i rommet. Et rør trekkes fra denne tønnen, som går høyt over gjennom et hull i veggen og forsyner vann; vann renner ut under. Dette er en velkjent enhet som kalles en sifon. Hvis tønnen på den siden er plassert høyere enn enden av røret, vil vann kontinuerlig strømme gjennom den med en hastighet som bestemmes av forskjellen i vannstanden i tønnen og enden av røret. Det er ikke noe overraskende her. Men hvis du ikke visste om eksistensen av en tønne på den andre siden av veggen og så bare et rør som vann strømmer fra Stor høyde, så for deg vil dette faktum virke som en uforsonlig motsigelse. Vann strømmer fra stor høyde og akkumulerer samtidig ikke energien som tilsvarer rørets høyde. Forklaringen i denne saken er imidlertid åpenbar.
Vi har et lignende fenomen i kjernen. Lad fra normal posisjon EN stiger til en tilstand med større energi I, men når ikke toppen av bommen i det hele tatt MED(Fig. 6).
Fra staten I en alfapartikkel, som passerer gjennom en barriere, begynner å bli frastøtt fra kjernen ikke fra toppen MED, og fra en lavere energihøyde B 1. Derfor, når du forlater utenfor, vil energien som akkumuleres av partikkelen ikke avhenge av høyden MED, og fra en lavere høyde lik B 1(Fig. 7).
Dette kvalitative resonnementet kan settes i kvantitativ form og en lov kan gis som bestemmer sannsynligheten for at en alfapartikkel passerer barrieren avhengig av energien I, som den har i kjernen, og følgelig fra energien den mottar når den forlater atomet.
Gjennom en rekke eksperimenter ble det etablert en veldig enkel lov som koblet antall alfapartikler som sendes ut av radioaktive stoffer med deres energi eller hastighet. Men betydningen av denne loven var helt uklar.
Gamows første suksess lå i det faktum at denne kvantitative loven om utslipp av alfapartikler fulgte helt presist og lett fra hans teori. Nå er "Gamow-energibarrieren" og dens bølgetolkning grunnlaget for alle våre ideer om kjernen.
Egenskapene til alfastråler er kvalitativt og kvantitativt godt forklart av Gamows teori, men det er kjent at radioaktive stoffer også sender ut betastråler – strømmer av raske elektroner. Modellen kan ikke forklare emisjonen av elektroner. Dette er en av de mest alvorlige motsetningene i teorien om atomkjernen, som inntil helt nylig forble uløst, men løsningen som nå ser ut til å være i sikte.
STRUKTUR AV KJERNEN
La oss nå gå videre til å vurdere hva vi vet om strukturen til kjernen.
For mer enn 100 år siden uttrykte Prout ideen om at kanskje elementene i det periodiske systemet ikke er atskilte i det hele tatt, ingenting til felles med hverandre. relaterte former materie, men er bare forskjellige kombinasjoner av hydrogenatomet. Hvis dette var slik, ville man forvente at ikke bare ladningene til alle kjerner ville være heltallsmultipler av ladningen til hydrogen, men også massene til alle kjerner ville bli uttrykt som heltallsmultipler av massen til hydrogenkjernen, dvs. alle atomvekter må uttrykkes hele tall. Og faktisk, hvis du ser på tabellen over atomvekter, kan du se stort antall heltall. For eksempel er karbon nøyaktig 12, nitrogen er nøyaktig 14, oksygen er nøyaktig 16, fluor er nøyaktig 19. Dette er selvfølgelig ikke en ulykke. Men det er fortsatt atomvekter som er langt fra hele tall. For eksempel har neon en atomvekt på 20,2, klor - 35,46. Derfor forble Prouts hypotese en delvis gjetning og kunne ikke bli en teori om atomets struktur. Ved å studere ladede ioners oppførsel er det spesielt enkelt å studere egenskapene til atomkjernen ved å påvirke dem for eksempel med et elektrisk og magnetisk felt.
Metoden basert på dette, brakt til ekstremt høy nøyaktighet av Aston, gjorde det mulig å fastslå at alle grunnstoffer hvis atomvekt ikke ble uttrykt i hele tall, faktisk ikke er et homogent stoff, men en blanding av to eller flere - 3, 4 , 9 - forskjellige typer atomer. For eksempel er atomvekten til klor 35,46 fordi det faktisk er flere typer kloratomer. Det er kloratomer med atomvekter 35 og 37, og disse to typene klor er blandet sammen i en slik andel at deres gjennomsnittlige atomvekt er 35,46. Det viste seg at ikke bare i dette ene tilfellet, men i alle tilfeller uten unntak, der atomvekter ikke er uttrykt i heltall, har vi en blanding av isotoper, det vil si atomer med samme ladning, som derfor representerer det samme elementet , men med forskjellig masse. Hver enkelt type atom har alltid en hel atomvekt.
Dermed fikk Prouts hypotese umiddelbart betydelig forsterkning, og spørsmålet kunne anses som løst hvis ikke for ett unntak, nemlig selve hydrogenet. Faktum er at vårt system av atomvekter ikke er bygget på hydrogen, tatt som én, men på atomvekten til oksygen, som konvensjonelt tas til å være 16. I forhold til denne vekten uttrykkes atomvekter som nesten eksakte heltall. Men hydrogen i seg selv i dette systemet har ikke en atomvekt på én, men noe mer, nemlig 1,0078. Dette tallet skiller seg fra enhet ganske betydelig - med 3/4%, som langt overstiger alle mulige feil ved bestemmelse av atomvekt.
Det viste seg at oksygen også har 3 isotoper: i tillegg til den dominerende, med en atomvekt på 16, en annen med en atomvekt på 17, og en tredje med en atomvekt på 18. Hvis vi relaterer alle atomvekter til isotop 16, vil atomvekten til hydrogen fortsatt være litt mer enn en. Deretter ble en andre isotop av hydrogen funnet - hydrogen med en atomvekt på 2 - deuterium, som amerikanerne som oppdaget det kalte det, eller diplogen, som britene kaller det. Bare rundt 1/6000 av dette deuteriumet er blandet inn, og derfor har nærværet av denne urenheten svært liten effekt på atomvekten til hydrogen.
Ved siden av hydrogen har helium en atomvekt på 4.002. Hvis den var sammensatt av 4 hydrogener, ville dens atomvekt åpenbart vært 4,031. Derfor har vi i dette tilfellet et visst tap i atomvekt, nemlig: 4,031 - 4,002 = 0,029. Er det mulig? Inntil vi betraktet masse som et mål for materie, var dette selvfølgelig umulig: Dette ville bety at en del av materien hadde forsvunnet.
Men relativitetsteorien har slått fast at masse ikke er et mål på mengden materie, men et mål på energien som denne materien besitter. Materie måles ikke etter masse, men etter antall ladninger som utgjør den saken. Disse ladningene kan ha mer eller mindre energi. Når identiske ladninger kommer nærmere, øker energien, når de beveger seg bort, avtar energien. Men dette betyr selvsagt ikke at saken har endret seg.
Når vi sier at under dannelsen av helium fra 4 hydrogener forsvant 0,029 atomvekter, betyr dette at energien som tilsvarer denne verdien forsvant. Vi vet at hvert gram av et stoff har en energi lik 9. 10 20 erg. Når det dannes 4 g helium, er tapt energi 0,029. 9. 10 20 ergams. På grunn av denne nedgangen i energi vil 4 hydrogenkjerner kombineres til en ny kjerne. Overskuddsenergien vil slippes ut i det omkringliggende rommet, og en forbindelse med litt mindre energi og masse vil forbli. Således, hvis atomvekter ikke måles nøyaktig med heltallene 4 eller 1, men med 4,002 og 1,0078, så er det disse tusendelene som får spesiell betydning fordi de bestemmer energien som frigjøres under dannelsen av en kjerne.
Jo mer energi som frigjøres under dannelsen av en kjerne, dvs. jo større tap i atomvekt, desto sterkere er kjernen. Spesielt er heliumkjernen veldig sterk, fordi når den dannes, frigjøres energi tilsvarende tapet i atomvekt - 0,029. Dette er veldig høy energi. For å bedømme det, er det best å huske dette enkle forholdet: en tusendel av en atomvekt tilsvarer omtrent 1 million elektronvolt. Så 0,029 er omtrent 29 millioner elektronvolt. For å ødelegge en heliumkjerne for å dekomponere den tilbake til 4 hydrogener, trengs kolossal energi. Kjernen mottar ikke slik energi, derfor er heliumkjernen ekstremt stabil, og det er derfor det ikke er hydrogenkjerner som frigjøres fra radioaktive kjerner, men hele heliumkjerner, alfapartikler. Disse betraktningene fører oss til en ny vurdering av atomenergi. Vi vet allerede at nesten all energien til et atom er konsentrert i kjernen, og enorm energi på det. 1 g av stoffet har, hvis det oversettes til mer visuelt språk, så mye energi som man kan få ved å brenne 10 tog med 100 vogner med olje. Derfor er kjernen en helt eksepsjonell energikilde. Sammenlign 1 g med 10 tog - dette er forholdet mellom konsentrasjonen av energi i kjernen sammenlignet med energien vi bruker i teknologien vår.
Men hvis du tenker på fakta som vi nå vurderer, kan du tvert imot komme til et helt motsatt syn på kjernen. Kjernen, fra dette synspunktet, er ikke en energikilde, men dens kirkegård: kjernen er resten etter frigjøring av en enorm mengde energi, og i den har vi den laveste energitilstanden.
Følgelig, hvis vi kan snakke om muligheten for å bruke atomenergi, så bare i den forstand at kanskje ikke alle kjerner har nådd ekstremt lav energi: tross alt eksisterer begge hydrogen og helium i naturen, og derfor ikke alt hydrogen kombinert til helium, selv om helium har mindre energi. Hvis vi kunne smelte det eksisterende hydrogenet til helium, ville vi oppnå en viss mengde energi. Dette er ikke 10 tog med olje, men likevel blir det cirka 10 biler med olje. Og dette er ikke så ille hvis det var mulig å få like mye energi fra 1 g av et stoff som ved å brenne 10 vogner med olje.
Dette er de mulige energireservene under omorganiseringen av kjerner. Men muligheten er selvfølgelig langt fra virkeligheten.
Hvordan kan disse mulighetene realiseres? For å evaluere dem, la oss gå videre til å vurdere sammensetningen av atomkjernen.
Vi kan nå si at alle kjerner inneholder positive hydrogenkjerner, som kalles protoner, har enhet atomvekt (1,0078 for å være nøyaktig) og enhet positiv ladning. Men kjernen kan ikke bestå av protoner alene. Ta for eksempel det tyngste grunnstoffet, rangert på 92. plass i det periodiske systemet, uran, med en atomvekt på 238. Hvis vi antar at alle disse 238 enhetene består av protoner, vil uran ha 238 ladninger, mens det har bare 92. Følgelig er enten ikke alle partikler der ladet, eller så er det 146 negative elektroner i tillegg til 238 protoner. Da er alt i orden: atomvekten vil være 238, positive ladninger 238 og negative 146, derfor er den totale ladningen 92. Men vi har allerede fastslått at antagelsen om tilstedeværelsen av elektroner i kjernen er uforenlig med våre ideer: verken i størrelse eller i de magnetiske egenskapene til elektroner i kjernen kan ikke plasseres. En slags motsetning gjensto.
OPPFINNELSE AV NØYTRONET
Denne motsetningen ble ødelagt av et nytt eksperimentelt faktum, som ble oppdaget for omtrent to år siden av Irene Curie og ektemannen Joliot (Irene Curie er datteren til Marie Curie, som oppdaget radium). Irene Curie og Joliot oppdaget at når beryllium (det fjerde elementet i det periodiske systemet) blir bombardert med alfapartikler, sender beryllium ut noen merkelige stråler som trenger gjennom enorme tykkelser av materie. Det ser ut til at siden de penetrerer stoffer så lett, burde de ikke forårsake noen betydelige effekter der, ellers ville energien deres bli oppbrukt og de ville ikke trenge inn i stoffet. På den annen side viser det seg at disse strålene, som kolliderer med kjernen til et atom, avviser den med enorm kraft, som om de ble truffet av en tung partikkel. Så på den ene siden må man tenke at disse strålene er tunge kjerner, og på den andre siden er de i stand til å passere gjennom enorme tykkelser uten å ha noen påvirkning.
Løsningen på denne motsetningen ble funnet i det faktum at denne partikkelen ikke er ladet. Hvis en partikkel ikke har en elektrisk ladning, vil ingenting virke på den, og den selv vil ikke virke på noe. Først når den under bevegelsen løper inn i en kanonkule et sted, kaster den den fra seg.
Dermed dukket det opp nye uladede partikler - nøytroner. Det viste seg at massen til denne partikkelen er omtrent den samme som massen til en hydrogenpartikkel - 1,0065 (en tusendel mindre enn et proton, derfor er energien omtrent 1 million elektronvolt mindre). Denne partikkelen ligner på et proton, men mangler bare positiv ladning, den er nøytral, den ble kalt et nøytron.
Når eksistensen av nøytroner ble klart, ble en helt annen idé om strukturen til kjernen foreslått. Det ble først uttrykt av D. D. Ivanenko, og deretter utviklet, spesielt av Heisenberg, som mottok Nobel pris i fjor. Kjernen kan inneholde protoner og nøytroner. Det kan antas at kjernen kun består av protoner og nøytroner. Da virker hele konstruksjonen av det periodiske systemet helt annerledes, men veldig enkel. Hvordan skal man for eksempel forestille seg uran? Atomvekten er 238, det vil si at det er 238 partikler. Men noen av dem er protoner, noen er nøytroner. Hvert proton har en positiv ladning; nøytroner har ingen ladning i det hele tatt. Hvis ladningen av uran er 92, betyr dette at 92 er protoner, og resten er nøytroner. Denne ideen har allerede ført til en rekke svært bemerkelsesverdige suksesser, ble det umiddelbart avklart hele linjen egenskapene til det periodiske systemet, som tidligere virket helt mystiske. Når det er få protoner og nøytroner, bør man ifølge moderne begreper innen bølgemekanikk forvente at antallet protoner og nøytroner i kjernen er det samme. Bare et proton har en ladning, og antall protoner gir atomnummeret. Og atomvekten til et grunnstoff er summen av vektene til protoner og nøytroner, fordi begge har en atomvekt. På dette grunnlaget kan vi si at atomnummeret er halvparten av atomvekten.
Nå gjenstår det fortsatt én vanskelighet, én selvmotsigelse. Dette er motsetningen skapt av beta-partikler.
FUNN AV POSITRONEN
Vi har kommet til den konklusjon at det ikke er noe i kjernen bortsett fra et positivt ladet proton. Hvordan blir da negative elektroner kastet ut fra kjernen hvis det ikke er noen negative ladninger der i det hele tatt? Som du ser er vi i en vanskelig situasjon.
Vi blir igjen ført ut av det av et nytt eksperimentelt faktum, en ny oppdagelse. Denne oppdagelsen ble gjort, kanskje for første gang, av D.V. Skobeltsyn, som etter å ha studert kosmiske stråler i lang tid, fant ut at blant ladningene som kosmiske stråler sender ut, er det også positive lyspartikler. Men denne oppdagelsen var så i strid med alt som var fast etablert at Skobeltsyn først ikke ga en slik tolkning av observasjonene hans.
Den neste personen som oppdaget dette fenomenet var Amerikansk fysiker Andersen i Pasadena (California), og etter ham i England, i Rutherfords laboratorium, Blackett. Dette er positive elektroner eller, som de ikke ble særlig godt kalt, positroner. At dette faktisk er positive elektroner kan lettest ses ved deres oppførsel i et magnetfelt. I et magnetfelt avbøyes elektroner i den ene retningen, og positroner i den andre, og retningen på deres avbøyning bestemmer deres fortegn.
Til å begynne med ble positroner observert bare når de passerte kosmiske stråler. Ganske nylig oppdaget den samme Irene Curie og Joliot et nytt bemerkelsesverdig fenomen. Det viste seg at det er det ny type radioaktivitet, at kjernene av aluminium, bor, magnesium, som ikke er radioaktive i seg selv, når de bombarderes med alfastråler, blir radioaktive. I 2 til 14 minutter fortsetter de å avgi partikler av seg selv, og disse partiklene er ikke lenger alfa- og beta-stråler, men positroner.
Teorien om positroner ble opprettet mye tidligere enn selve positronen ble funnet. Dirac satte seg i oppgave å gi bølgemekanikkens ligninger en slik form at de også ville tilfredsstille relativitetsteorien.
Disse Dirac-ligningene førte imidlertid til en veldig merkelig konsekvens. Massen går inn i dem symmetrisk, det vil si at når fortegnet for massen endres til det motsatte, endres ikke ligningene. Denne symmetrien av ligningene med hensyn til masse tillot Dirac å forutsi muligheten for eksistensen av positive elektroner.
På den tiden hadde ingen observert positive elektroner, og det var en sterk tro på at det ikke fantes positive elektroner (dette kan bedømmes ut fra forsiktigheten som både Skobeltsyn og Andersen nærmet seg dette spørsmålet med), så Diracs teori ble avvist. To år senere ble det faktisk funnet positive elektroner, og naturlig nok husket de Diracs teori, som spådde utseendet deres.
"MATERIALISERING" OG "ÅNNIHILATION"
Denne teorien er assosiert med en rekke ubegrunnede tolkninger som omgir den fra alle kanter. Her vil jeg analysere materialiseringsprosessen, slik kalt på initiativ fra Madame Curie - utseendet, når gammastråler passerer gjennom materie, samtidig av et par positive og negative elektroner. Dette eksperimentelle faktum tolkes som transformasjonen av elektromagnetisk energi til to materiepartikler som ikke eksisterte før. Dette faktum blir derfor tolket som skapelse og forsvinning av materie under påvirkning av de andre strålene.
Men hvis vi ser nærmere på hva vi faktisk observerer, er det lett å se at en slik tolkning av utseendet til par ikke har grunnlag. Spesielt viser Skobeltsyns arbeid tydelig at utseendet til et par ladninger under påvirkning av gammastråler ikke forekommer i det tomme rommet i det hele tatt; utseendet til par observeres alltid bare i atomer. Følgelig har vi her ikke å gjøre med materialiseringen av energi, ikke med tilsynekomsten av noe nytt stoff, men bare med separasjonen av ladninger i stoffet som allerede eksisterer i atomet. Hvor var hun? Man må tenke at prosessen med å splitte en positiv og negativ ladning skjer ikke langt fra kjernen, inne i atomet, men ikke inne i kjernen (i en relativt ikke veldig stor avstand på 10 -10 -10 -11 cm, mens radiusen av kjernen er 10 -12 -10 -13 cm).
Nøyaktig det samme kan sies om den omvendte prosessen med "materieutslettelse" - kombinasjonen av et negativt og et positivt elektron med frigjøring av en million elektronvolt energi i form av to kvanter av elektromagnetiske gammastråler. Og denne prosessen skjer alltid i atomet, tilsynelatende nær kjernen.
Her kommer vi til muligheten for å løse motsetningen vi allerede har bemerket, som er et resultat av utslipp av beta-stråler av negative elektroner fra en kjerne, som, som vi tror, ikke inneholder elektroner.
Det er klart at beta-partikler ikke flyr ut fra kjernen, men på grunn av kjernen; På grunn av frigjøring av energi inne i kjernen, en prosess med splittelse til positive og negativ ladning s, og den negative ladningen blir kastet ut, og den positive trekkes inn i kjernen og binder seg til et nøytron og danner et positivt proton. Dette er antagelsen som har blitt gjort nylig.
Her er det vi vet om sammensetningen av atomkjernen.
KONKLUSJON
Avslutningsvis, la oss si noen ord om fremtidsutsikter.
Hvis vi i studiet av atomer nådde visse grenser utover hvilke kvantitative endringer forvandlet til nye kvalitative egenskaper, så slutter ved grensene til atomkjernen de bølgemekanikkens lover som vi oppdaget i atomskallet å virke; i kjernen begynner de fortsatt svært uklare konturene av en ny, enda mer generaliserende teori å merkes, i forhold til hvilken bølgemekanikk kun representerer den ene siden av fenomenet, hvor den andre siden nå begynner å åpne seg - og begynner, som alltid, med motsetninger.
Arbeidet med atomkjernen har også en annen veldig interessant side, tett sammenvevd med teknologiutviklingen. Kjernen er meget godt beskyttet av Gamow-barrieren mot ytre påvirkninger. Hvis vi, uten å begrense oss til bare å observere forfallet av kjerner i radioaktive prosesser, ønsket å bryte inn i kjernen fra utsiden og gjenoppbygge den, ville dette kreve en ekstremt kraftig påvirkning.
Problemet med kjernen krever mest presserende ytterligere teknologiutvikling, overgang fra de spenningene som allerede er mestret av høyspenningsteknologi, fra spenninger på flere hundre tusen volt, til millioner av volt. Et nytt stadium skapes innen teknologi. Dette arbeidet med å lage nye spenningskilder på millioner av volt utføres nå i alle land - både i utlandet og her, spesielt i Kharkov-laboratoriet, som var det første som startet dette arbeidet, og ved Leningrad Institute of Physics and Technology , og andre steder.
Kjerneproblemet er et av de mest aktuelle problemer vår tid i fysikk; det må arbeides med ekstrem intensitet og utholdenhet, og i dette arbeidet er det nødvendig å ha stort tankemot. I min presentasjon påpekte jeg flere tilfeller da vi, ved å flytte til nye skalaer, ble overbevist om at våre logiske vaner, alle våre ideer bygget på begrenset erfaring, ikke var egnet for nye fenomener og nye skalaer. Vi må overvinne denne sunne fornuftskonservatismen som er iboende i hver enkelt av oss. Sunn fornuft- dette er en konsentrert opplevelse fra fortiden; det kan ikke forventes at denne opplevelsen fullt ut vil omfatte fremtiden. I kjerneregionen, mer enn i noen annen, må man hele tiden huske på muligheten for nye kvalitative egenskaper og ikke være redd for dem. Det virker for meg som det er her kraften til den dialektiske metoden skal føles, en metode blottet for denne konservatismen, som forutså hele utviklingen av moderne fysikk. Det jeg her mener med den dialektiske metoden er selvfølgelig ikke et sett med fraser hentet fra Engels. Det er ikke hans ord, men deres betydning som må overføres til vårt arbeid; Bare én dialektisk metode kan bringe oss videre på et så helt nytt og avansert område som problemet med kjernen.
Sammensetning av kjernen til et atom. Beregning av protoner og nøytroner
I følge moderne konsepter består et atom av en kjerne og elektroner plassert rundt den. Kjernen til et atom består på sin side av mindre elementærpartikler - fra et visst antall protoner og nøytroner(det allment aksepterte navnet er nukleoner), sammenkoblet av kjernefysiske krefter.
Antall protoner i kjernen bestemmer strukturen til elektronskallet til atomet. Og elektronskallet bestemmer fysisk-kjemiske egenskaper stoffer. Antall protoner tilsvarer serienummeret til et atom i Mendeleevs periodiske system av kjemiske elementer, også kalt ladningsnummer, atomnummer, atomnummer. For eksempel er antallet protoner i et heliumatom 2. I det periodiske systemet er det nummer 2 og betegnes som He 2. Symbolet for antall protoner er den latinske bokstaven Z. Når man skriver formler, er ofte tallet som indikerer antall protoner er plassert under symbolet til elementet eller høyre eller venstre: He 2 / 2 He.
Antall nøytroner tilsvarer en spesifikk isotop av et grunnstoff. Isotoper er grunnstoffer med samme atomnummer (samme antall protoner og elektroner), men forskjellige massetall. Massenummer- det totale antallet nøytroner og protoner i kjernen til et atom (betegnet latinsk bokstav EN). Når du skriver formler massenummer angitt på toppen av elementsymbolet på den ene siden: He 4 2 / 4 2 He (Isotop of Helium - Helium - 4)
For å finne ut antall nøytroner i en bestemt isotop, bør antallet protoner trekkes fra det totale massetallet. For eksempel vet vi at Helium-4 He 4 2-atomet inneholder 4 elementærpartikler, siden massenummeret til isotopen er 4. Dessuten vet vi at He 4 2 har 2 protoner. Trekker vi fra 4 (totalt massetall) 2 (antall protoner) får vi 2 - antall nøytroner i Helium-4-kjernen.
PROSESSEN MED Å BEREGNE ANTALL FANTOMPARTIKLER I ATOMKJERNEN. Som et eksempel var det ikke tilfeldig at vi vurderte Helium-4 (He 4 2), hvis kjerne består av to protoner og to nøytroner. Siden Helium-4-kjernen, kalt alfa-partikkelen (α-partikkel), er den mest effektive i kjernefysiske reaksjoner, brukes den ofte til eksperimenter i denne retningen. Det er verdt å merke seg at i formler for kjernereaksjoner brukes symbolet α ofte i stedet for He 4 2.
Det var med deltakelse av alfapartikler at E. Rutherford utførte den første offisiell historie fysikkreaksjon av kjernefysisk transformasjon. Under reaksjonen "bombarderte" alfapartikler (He 4 2) kjernene til nitrogenisotopen (N 14 7), noe som resulterte i dannelsen av en oksygenisotop (O 17 8) og ett proton (p 1 1)
Denne kjernefysiske reaksjonen ser slik ut:
La oss beregne antall fantom Po-partikler før og etter denne transformasjonen.
FOR Å BEREGNE ANTALLET FANTOMPARTIKLER DU TRENGER:
Trinn 1. Tell antall nøytroner og protoner i hver kjerne:
- antall protoner er angitt i den nedre indikatoren;
- vi finner ut antall nøytroner ved å trekke antall protoner (nedre indikator) fra det totale massetallet (øvre indikator).
Trinn 2. Tell antall fantom Po-partikler i atomkjernen:
- multipliser antall protoner med antall fantom Po-partikler i 1 proton;
- multipliser antall nøytroner med antall fantom Po-partikler inneholdt i 1 nøytron;
Trinn 3. Legg sammen antall fantom Po-partikler:
- legg til det resulterende antallet fantom Po-partikler i protoner med det resulterende antallet nøytroner i kjerner før reaksjonen;
- legg til det resulterende antallet fantom Po-partikler i protoner med det resulterende antallet nøytroner i kjerner etter reaksjonen;
- sammenligne antall fantom Po-partikler før reaksjonen med antall fantom Po-partikler etter reaksjonen.
ET EKSEMPEL PÅ UTVIKLET BEREGNING AV ANTALL FANTOMPARTIKLER I ATOMKJERNER.
(Kjernereaksjon som involverer en α-partikkel (He 4 2), utført av E. Rutherford i 1919)
FØR REAKSJONEN (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7
Antall protoner: 7
Antall nøytroner: 14-7 = 7
i 1 proton – 12 Po, som betyr i 7 protoner: (12 x 7) = 84;
i 1 nøytron – 33 Po, som betyr i 7 nøytroner: (33 x 7) = 231;
Totalt antall fantom Po-partikler i kjernen: 84+231 = 315
Han 4 2
Antall protoner – 2
Antall nøytroner 4-2 = 2
Antall fantom Po-partikler:
i 1 proton – 12 Po, som betyr i 2 protoner: (12 x 2) = 24
i 1 nøytron – 33 Po, som betyr i 2 nøytroner: (33 x 2) = 66
Totalt antall fantom Po-partikler i kjernen: 24+66 = 90
Totalt antall fantom Po-partikler før reaksjonen
N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405
ETTER REAKSJONEN (O 17 8) og ett proton (s. 1 1):
O 17 8
Antall protoner: 8
Antall nøytroner: 17-8 = 9
Antall fantom Po-partikler:
i 1 proton – 12 Po, som betyr i 8 protoner: (12 x 8) = 96
i 1 nøytron – 33 Po, som betyr i 9 nøytroner: (9 x 33) = 297
Totalt antall fantom Po-partikler i kjernen: 96+297 = 393
s 1 1
Antall protoner: 1
Antall nøytroner: 1-1=0
Antall fantom Po-partikler:
Det er 12 Po i 1 proton
Det er ingen nøytroner.
Totalt antall fantom Po-partikler i kjernen: 12
Totalt antall fantom Po-partikler etter reaksjonen
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405
La oss sammenligne antall fantom Po-partikler før og etter reaksjonen:
ET EKSEMPEL PÅ KORT FORM FOR BEREGNING AV ANTALL FANTOMPARTIKLER I EN atomreaksjon.
Berømt kjernefysisk reaksjon er reaksjonen av interaksjon av α-partikler med en berylliumisotop, der et nøytron først ble oppdaget, som manifesterer seg som en uavhengig partikkel som et resultat av kjernefysisk transformasjon. Denne reaksjonen ble utført i 1932 av den engelske fysikeren James Chadwick. Reaksjonsformel:
213 + 90 → 270 + 33 - antall fantom Po-partikler i hver av kjernene
303 = 303 - totale mengden fantom Po-partikler før og etter reaksjonen
Antall fantom Po-partikler før og etter reaksjonen er like.
SAMMENSETNING AV ATOMKJERNEN. KOMMUNIKASJONSENERGIE
1. Sammensetning av atomkjernen. Rett etter oppdagelsen av nøytronet (1932) foreslo den sovjetiske fysikeren D. D. Ivanenko og noe senere den tyske fysikeren W. Heisenberg at atomkjernen består av protoner og nøytroner. Disse partiklene kalles nukleoner. Antall protoner Z, inkludert i kjernen, bestemmer dens ladning, som er lik +Ze. Antall Z kalt atomnummeret (det bestemmer atomnummeret til et kjemisk grunnstoff i periodiske tabell Mendeleev) eller ladningsnummeret til kjernen.
Antall nukleoner A (dvs. det totale antallet protoner og nøytroner) i kjernen kalles massenummeret til kjernen. Antall nøytroner i kjernen er lik N=A-Z.
Symbolet som brukes til å betegne kjerner er
hvor X refererer til grunnstoffets kjemiske symbol. Massenummeret er plassert øverst, og atomnummeret nederst.
2. Isotoper. Det har vært kjent siden 1906 at ikke alle atomer av samme kjemiske element har samme masse. For eksempel, blant kloratomer er det atomer med en masse nær 35 og en masse nær 37. Blant uranatomer er det atomer med massene 234, 235, 238 og 239. Det er forskjeller i masse mellom atomer av andre stoffer.
Alle isotoper av samme grunnstoff har svært like kjemiske egenskaper, noe som indikerer den samme strukturen til elektronskallene deres, og derfor de samme kjerneladningene og samme antall protoner i kjernene. Det er her navnet deres kommer fra - fra det greske ordet "isos" - identisk og "topos" - sted: samme sted i D. I. Mendeleevs periodiske system for kjemiske grunnstoffer.
Forskjellen i masse mellom isotoper er forårsaket av annet nummer det er nøytroner i dem. Dermed er isotoper varianter av et gitt kjemisk element som er forskjellige i massen til kjernene deres.
Loven om radioaktivt forfall ble etablert av F. Soddy. Empirisk fant E. Rutherford at aktiviteten til radioaktivt forfall avtar over tid. For hver radioaktivt stoff Det er et tidsintervall hvor aktiviteten avtar med 2 ganger, dvs. Halveringstid T av dette stoffet. La antallet radioaktive atomer være N, tiden t =0. Etter t 1 =T vil antallet udøde kjerner N 1 = N 0 /2, etter t 2 =2T gjenstår
Etter at tiden har gått t=nT, dvs. seinere n halveringstider T, radioaktive atomer vil forbli:
Fordi det n=t/T,
Dette er den grunnleggende loven radioaktive forfall.
4. Kjernefysiske styrker. Enkle fakta indikerer styrken til atomkjerner: gjenstander rundt oss eksisterer i lang tid uten å bryte opp til partikler. Men hvordan kan disse fakta forklares? Tross alt inneholder atomkjerner protoner, og elektrostatiske frastøtende krefter bør "skyve dem fra hverandre." Av dette følger det at inne i kjernene er det noen krefter som virker mellom nukleonene som overskrider kreftene til elektrostatisk frastøtning. Disse kreftene kalles atomkrefter. Kjernekrefter virker mellom alle nukleoner (mellom protoner, mellom nøytroner og mellom protoner og nøytroner). Karakteristisk trekk atomkrefter er deres korte virkning: ved avstander på 10 -15 m er de omtrent 100 ganger større enn kreftene til elektrostatisk interaksjon, men allerede ved avstander på 10 -14 m viser de seg å være ubetydelige.
5. Bond energi. For å fjerne et proton eller nøytron fra en kjerne, må det arbeides for å overvinne kortdistanse kjernekrefter. Som et resultat øker energien til systemet "gjenværende kjerne - fjernet nukleon" med ∆E, lik arbeidet til ytre krefter.
Energien som kreves for å fullstendig skille en kjerne i individuelle protoner og nøytroner kalles kjernefysisk bindingsenergi.
I følge loven om forholdet mellom masse og energi øker også massen av partikler med
Følgelig er massen til kjernen alltid mindre enn summen av massene til dens bestanddeler, tatt individuelt. I kjernefysikk Massen av partikler uttrykkes i atommasseenheter. En atommasseenhet er lik 1/12 massen til et atom i isotopen karbon-12.
1 amu = 1,6605655·10 -27 kg
Tabellen viser massene til noen stabile kjerner og elementærpartikler.
Bord
| Kjernesymbol | messe, a. spise. | Kjernesymbol | messe, a. spise. |
| 1,008665 | 14,003242 | ||
| 1,007825 | 16,999134 | ||
| 4,002603 | 235,043933 |
Offset-regel. Kjernefysiske transformasjoner følger den såkalte forskyvningsregelen, først formulert av Soddy: Under a-forfall mister kjernen sin positive ladning 2e og massen avtar med omtrent fire atommasseenheter. Som et resultat blir elementet forskjøvet to celler til begynnelsen av det periodiske systemet. Symbolsk kan dette skrives slik:
Her betegnes grunnstoffet, som i kjemi, med allment aksepterte symboler: kjerneladningen skrives som en indeks nederst til venstre på symbolet, og atommassen er skrevet som en indeks øverst til venstre i symbolet. For eksempel er hydrogen representert med symbolet. Til en- en partikkel som er kjernen til et heliumatom, betegnelsen brukes osv. Under β - forfall flyr et elektron ut av kjernen. Som et resultat øker kjernefysisk ladning med én, men massen forblir nesten uendret:
Her står for elektron: indeksen "0" på toppen betyr at massen er veldig liten sammenlignet med atommasseenheten. Etter β-forfall flytter elementet en celle nærmere slutten av det periodiske systemet. Gammastråling er ikke ledsaget av en endring i ladningen; massen til kjernen endres ubetydelig.
Forskyvningsreglene viser at under radioaktivt forfall, elektrisk ladning og den relative atommassen til kjernene er tilnærmet bevart.
Nye kjerner dannet under radioaktivt forfall er på sin side vanligvis også radioaktive.
Eksempel. Ved å bruke dataene fra denne tabellen beregner vi bindingsenergien til kjernen til et heliumatom:
Massen til heliumkjernen er 4,002603 amu.
Masse av individuelle nukleoner
Masseforskjell: ∆ m = (4,032980 - 4,002603) a.m.u. =0,030377 amu, og bindingsenergi:
Siden: 1 amu = 1,660566*10 -27 kg, og c = 3*10 8 m/s, da ∆ E = 0,030377*1,660566*10 -27 kg * 9 10 16 m 2 / s 2, eller ∆E = 0,030377 * 1,660566 9 10 -11 J.
I kjernefysikk uttrykkes energi vanligvis i elektronvolt. Siden 1 eV=1,60219·10 -19 J, da
Det er lett å se at brøken
avhenger ikke av forholdene for problemet. Derfor, ytterligere beregninger i atomreaksjoner vi vil gjøre det slik:
∆E = ∆m a.m.u. 931 MeV/amu
Dermed er bindingsenergien til kjernen til et heliumatom:
Ved å dele den totale bindingsenergien til en atomkjerne med antall nukleoner i den, kan vi få den såkalte spesifikke bindingsenergien. For kjernen til et heliumatom er den spesifikke bindingsenergien MeV per nukleon.
Svar: Den spesifikke bindingsenergien for kjernen til et heliumatom er omtrent 7 MeV per nukleon.
Laster inn...
